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Jul 17, 2023

Campaña de campo evalúa vulnerabilidades de las redes 5G

Imagen anterior Imagen siguiente La tecnología de red móvil de quinta generación, o 5G, está de moda estos días. En comparación con 4G, esta nueva forma de conectar dispositivos inalámbricos a redes celulares está diseñada

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La tecnología de red móvil de quinta generación, o 5G, está de moda estos días. En comparación con 4G, esta forma más nueva de conectar dispositivos inalámbricos a redes celulares está diseñada para proporcionar velocidades de datos más altas, latencia ultrabaja, confiabilidad mejorada, capacidad de configuración ampliada, mayor capacidad y disponibilidad de la red y conectividad entre una mayor cantidad de usuarios.

Al Departamento de Defensa de Estados Unidos (DoD) le gustaría aprovechar estos avances comerciales en sus sistemas de comunicaciones, pero el 5G, al igual que sus predecesores, carece de características de seguridad suficientemente sólidas. Para aplicaciones militares, la conectividad inalámbrica deja las comunicaciones vulnerables a la detección no deseada (identificando la presencia de señales), la geolocalización injustificada (determinando el origen de las señales) y la interferencia intencionada (obstaculizando la transmisión y recepción de señales). Antes de que el Departamento de Defensa pueda aprovechar plenamente la tecnología 5G, se deben identificar, cuantificar y mitigar las vulnerabilidades de las redes.

"En el caso de las comunicaciones comerciales, puede que te preocupes un poco por las interferencias, pero no te preocupas de que alguien busque intencionalmente e interrumpa tus comunicaciones, como es el caso en el ejército", explica Nicholas Smith, investigador de Tactical Networks. Group, parte del área de I+D de Sistemas de Comunicación del Laboratorio Lincoln del MIT. "El ejército también tiene que lidiar con escenarios de movilidad más desafiantes más allá de las personas que caminan o conducen, como los aviones que viajan a velocidades de Mach".

Smith es parte de un equipo del Laboratorio Lincoln que evalúa las vulnerabilidades de 5G y desarrolla soluciones potenciales para hacer que esta tecnología de última generación sea lo suficientemente resistente para uso militar.

Montañas de datos

En abril de 2022, con fondos proporcionados por DoD FutureG y 5G Office, el equipo de evaluación de vulnerabilidad 5G del Laboratorio Lincoln se dirigió a la Base de la Fuerza Aérea Hill (AFB) cerca de Salt Lake City, Utah, para realizar una campaña de prueba inalámbrica en el Banco de pruebas de red 5G recientemente inaugurado diseñado e instalado por Nokia Corporation. El equipo se encuentra entre los primeros en aprovechar este banco de pruebas en Hill AFB, que es uno de los cinco bancos de pruebas del DoD FutureG y 5G Office en instalaciones militares de EE. UU. que sirven como lugares para evaluar las capacidades y funcionalidades de las redes 5G. Aunque previamente se habían modelado las vulnerabilidades de 5G, esta campaña de prueba representó una de las primeras campañas de equipo rojo contra 5G en el campo.

Durante dos semanas, el equipo implementó conjuntos de antenas equipadas con GPS conectadas a radios definidas por software para recopilar señales de red, que luego fueron analizadas por un servidor informático independiente. Cada día, el equipo condujo tres camiones, cada uno con uno de estos sistemas de sensores, a diferentes sitios en la base y pidió a los enlaces de Hill AFB que sintonizaran ciertos parámetros de la red, por ejemplo, encender o apagar ciertas estaciones base, aumentar o disminuir la potencia de las estaciones base o ajustar las direcciones de dirección del haz. Con cada ajuste, el equipo recopiló datos para determinar qué tan difícil era detectar, geolocalizar e interferir señales 5G. El terreno montañoso permitió al equipo obtener resultados desde diferentes elevaciones.

Antes de salir al campo, el equipo realizó modelos y simulaciones para preparar su configuración experimental, considerando factores como qué tan lejos de una estación base 5G se pueden detectar las señales, dónde colocar los sensores para lograr el menor error de geolocalización y qué la mejor geometría del sensor es. También verificaron los algoritmos utilizados para la detección y geolocalización.

En el sitio de Hill AFB, el equipo detectó constantemente señales 5G a través de varios tipos de algoritmos de detección, desde detectores de energía generales (que miden la energía o potencia de una señal recibida) hasta detectores de filtro combinado más específicos (que comparan la energía). de una señal recibida desconocida a la energía de una señal conocida). Detectaron señales hasta el horizonte (a unos 20 kilómetros de distancia y verificaron distancias mayores mediante simulación), un rango muy lejano, particularmente para un tipo específico de señal llamado bloque de sincronización de señales (SSB). La SSB es detectable por diseño; Los dispositivos móviles necesitan detectar la SSB para sincronizarse con la hora y la frecuencia de una red inalámbrica y, en última instancia, acceder a la red. Sin embargo, esta detectabilidad significa que la SSB presenta una vulnerabilidad considerable.

"La detección facilita las interferencias", dice Smith. "Una vez que los adversarios detectan una señal, pueden bloquearla. Debido a que la SSB es periódica en tiempo y frecuencia, es bastante fácil de detectar y luego bloquear".

Para geolocalizar las señales, el equipo realizó una estimación del ángulo de llegada utilizando el algoritmo MUSIC (para Clasificación de Señales Múltiples), que estima la dirección de llegada de las señales recibidas por un conjunto de antenas. Como explicó Smith, si tiene dos sensores espaciados en lados opuestos del mapa y conoce el ángulo desde el que proviene la señal para ambos sensores, puede dibujar líneas rectas que se cruzarán; donde se cruzan es el punto de geolocalización.

"Uno de nuestros objetivos era ver qué tan económico o fácil sería detectar, geolocalizar e interferir señales 5G", explica Smith. "Nuestros resultados muestran que no es necesario ser muy sofisticado; las configuraciones de hardware de bajo costo y los algoritmos de código abierto disponibles comercialmente son efectivos".

Esta evaluación de vulnerabilidad 5G es una extensión de evaluaciones de vulnerabilidad 4G anteriores realizadas por el laboratorio.

Avances generacionales

Las nuevas generaciones de tecnología de comunicaciones inalámbricas suelen aparecer una vez por década. Centrándonos en la voz, la primera generación, 1G, abrió el camino a los primeros teléfonos móviles en los años 80. La segunda generación, 2G, permitió una transmisión de voz más segura con menos estática e introdujo servicios de mensajes cortos (SMS) o mensajes de texto. Con el debut de 3G a principios de la década de 2000, llegaron las velocidades de red centrales necesarias para lanzar los primeros teléfonos inteligentes, llevando Internet a nuestros teléfonos para admitir aplicaciones móviles como mapas y videollamadas. Y 4G, que proporciona velocidades de transferencia de datos aún más altas, permitió la transmisión de video de alta definición, una calidad mejorada de las llamadas de voz (a través de la evolución a largo plazo, o tecnología LTE) y dispositivos de Internet de las cosas, como relojes inteligentes y asistentes domésticos digitales.

El lanzamiento de 5G, que comenzó en serio en 2019 y continúa evolucionando, viene con mejoras de órdenes de magnitud en varias áreas, incluidas la velocidad, la latencia, la conectividad y la flexibilidad. Por ejemplo, en teoría 4G alcanza un máximo de 1 gigabit por segundo para la velocidad de datos, mientras que 5G alcanza un máximo de 20 gigabits por segundo, una velocidad 20 veces más rápida. Además de funcionar en frecuencias de banda baja (por debajo de 6 GHz), 5G puede funcionar en frecuencias de ondas milimétricas menos concurridas (por encima de 24 GHz). El abundante espectro disponible en estas frecuencias más altas permite una capacidad extrema, un rendimiento ultraalto y una latencia ultrabaja. Sin embargo, debido a que las señales de alta frecuencia experimentan dispersión a medida que viajan a través de la atmósfera, su alcance es limitado. Para abordar esta limitación, los investigadores están introduciendo conceptos para complementar las grandes torres de telefonía celular (macrocélulas) actuales, que están ubicadas a kilómetros de distancia, con torres más pequeñas (microcélulas, picocélulas o femtocélulas) espaciadas más juntas, particularmente en áreas urbanas de alta densidad. Con estas pequeñas células, las altas frecuencias no tienen que viajar tan lejos y pueden proporcionar altas velocidades de datos a muchos usuarios.

Los conjuntos masivos de antenas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) brindan otro medio para atender a los usuarios simultáneos. Proporcionar una gran cantidad de antenas en las estaciones base 5G significa que las señales inalámbricas pueden enfocarse estrechamente en direcciones específicas hacia un dispositivo receptor deseado, como un teléfono celular, una computadora portátil o un automóvil autónomo, en lugar de propagarse en todas direcciones. Esta técnica de enfoque, denominada formación de haces, ayuda a los usuarios a obtener conexiones inalámbricas más precisas y confiables con una transferencia de datos más rápida y evita que los datos lleguen a destinatarios no deseados.

"5G presenta una oportunidad para que las comunicaciones se basen mucho más en la formación de haces y en MIMO masivo", afirma Smith. "Con estas tecnologías, 5G tiene el potencial de ser menos detectable y geolocalizable y más anti-interferencias que todas las generaciones anteriores. Pero necesitamos estar informados sobre cómo configurar la red para hacer eso, porque 5G no es inherentemente seguro. "

Resiliencia mejorada

Durante el año pasado, el equipo ha estado aplicando los conocimientos de su campaña de pruebas de campo para mejorar la resiliencia de los componentes y procesos estándar de 5G.

"Nuestro objetivo es hacer que las mejoras de resiliencia sean lo más simples y rentables posible para que las implemente el Departamento de Defensa, aprovechando la tecnología 5G existente y sin tener que modificar el hardware 5G, al menos en el lado de los teléfonos celulares", dice Smith.

De cara al futuro, Smith está entusiasmado por diseñar algoritmos más complejos, especialmente aquellos que utilicen el aprendizaje automático para detectar y geolocalizar señales 5G. También expresó el interés del equipo en utilizar potencialmente 5G para enjambres de drones, que, según Smith, son "uno de los problemas más difíciles en lo que respecta a las comunicaciones" debido a factores como la complejidad del movimiento y las limitaciones de energía.

Si el ciclo tecnológico de 10 años continúa, es probable que 6G se lance alrededor de 2030. Las nuevas capacidades pueden incluir la aplicación de inteligencia artificial para gestionar los recursos de la red; ampliar las frecuencias a rangos aún más altos (terahercios); e integrar las comunicaciones por tierra, aire, mar y espacio en un ecosistema cohesivo.

"Nuestro programa actual en realidad se llama 5G-to-nG [próxima generación]", dice Smith. "Ya estamos mirando hacia el 6G y las vulnerabilidades que puede traer para el Departamento de Defensa".

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